《光的粒子性》PPT课件.ppt
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1、一、光的波动性一、光的波动性 光是电磁波光是电磁波理论证明:麦克斯韦的经典电磁场理论理论证明:麦克斯韦的经典电磁场理论实验验证:赫兹的电火花实验,发现电磁波的实验验证:赫兹的电火花实验,发现电磁波的速度和光速相同。速度和光速相同。其它实验证据:其它实验证据:1、光的干涉:托马斯、光的干涉:托马斯杨杨 2、光的衍射:菲涅、光的衍射:菲涅耳耳3、光的偏振:马吕斯、光的偏振:马吕斯二、光电效应现象二、光电效应现象 把一块锌板连接在验电器上,并使锌板带负电,把一块锌板连接在验电器上,并使锌板带负电,验电器指针张开。用紫外线灯照射锌板,观察验电验电器指针张开。用紫外线灯照射锌板,观察验电器指针的变化。器
2、指针的变化。这个现象说明了说明问题?这个现象说明了说明问题?结论:结论:锌板在射线照射下失去电子而带正电。锌板在射线照射下失去电子而带正电。光电效应:光电效应:当光线照射在金属表面时,金属中有电当光线照射在金属表面时,金属中有电子逸出的现象,称为子逸出的现象,称为光电效应光电效应。逸出的电子称为逸出的电子称为光电子光电子。光电子定向移动形成的电流叫光电子定向移动形成的电流叫光电流光电流。三、实验研究光电效应的规律三、实验研究光电效应的规律1、存在饱和电流、存在饱和电流 当当A接正极,接正极,K接负极接负极时,控制入射光的强度一时,控制入射光的强度一定,使定,使UAK从从0开始增大,开始增大,观
3、察到电流表的示数一开观察到电流表的示数一开始增大,到某一数值后就始增大,到某一数值后就不再增大。不再增大。这个最大电流就叫做这个最大电流就叫做饱和电流。饱和电流。对存在饱和电流的解释:对存在饱和电流的解释:K板逸出的电子向各个方向运动,板逸出的电子向各个方向运动,如果不加电压,很多电子无法到如果不加电压,很多电子无法到达达A板,无法形成较大电流。板,无法形成较大电流。加上电压后,越来越多的电子加上电压后,越来越多的电子到达到达A板,电流越来越大。板,电流越来越大。但是,如果所有电子都达到了但是,如果所有电子都达到了A板,继续增大电压,就无法板,继续增大电压,就无法再增大电流。再增大电流。实验表
4、明:实验表明:在光的颜色不变的情在光的颜色不变的情况下,入射光越强,饱和电流越大。这表明对于一定况下,入射光越强,饱和电流越大。这表明对于一定颜色的光,饱和电流强度与入射光强度成正比。颜色的光,饱和电流强度与入射光强度成正比。光强:光强:单位时间内垂直于单位时间内垂直于光的传播方向上的单位面光的传播方向上的单位面积所通过的能量积所通过的能量I=nhI=nh思考思考1:如果:如果AK之间不加电压,电流是否为之间不加电压,电流是否为0?思考思考2:如何才能使电流为:如何才能使电流为0?2、存在遏止电压、存在遏止电压Uc(反向截止电压)(反向截止电压)当当A接负极,接负极,K接正极接正极时,控制入射
5、光的强度一时,控制入射光的强度一定,使定,使UKA从从0开始增大,开始增大,观察到电流表的示数逐渐观察到电流表的示数逐渐减小到减小到0。电流刚减小到电流刚减小到0时对应时对应的的UKA叫做遏止电压叫做遏止电压Uc。对存在遏止电压的解释:对存在遏止电压的解释:加上反向电压后,电加上反向电压后,电子受到的电场力方向与运子受到的电场力方向与运动方向相反,电子减速。动方向相反,电子减速。如果反向电压足够大,如果反向电压足够大,电子将无法达到电子将无法达到A板。临界板。临界的电压值即为遏止电压的电压值即为遏止电压Uc。其中,其中,vc是所有光电子的最大初速度,是所有光电子的最大初速度,是光电子的最大初动
6、能。是光电子的最大初动能。+一一 一一 一一 一一 一一 一一EEFvUKA实验表明,实验表明,对于一定颜色(频率)的光,无对于一定颜色(频率)的光,无论光的强弱如何,遏止电压都是一样的。论光的强弱如何,遏止电压都是一样的。光的频率光的频率v改变时,遏止电压改变时,遏止电压Uc也会改变,这也会改变,这表明光电子的能量只与入射光的频率有关,表明光电子的能量只与入射光的频率有关,而与入射光的强弱无关。而与入射光的强弱无关。IUc2OU黄光(黄光(强)强)黄光(黄光(弱)弱)实验测得的光电效应曲线实验测得的光电效应曲线蓝光蓝光Uc1遏遏止止电电压压饱和电流饱和电流Is3、存在截止频率、存在截止频率c
7、 当入射光的频率减小当入射光的频率减小到某一数值到某一数值c时,无论光时,无论光的强度多大,加上怎样的的强度多大,加上怎样的电压,都不会有光电流。电压,都不会有光电流。这个临界频率叫做截这个临界频率叫做截止频率止频率或极限频率或极限频率c。当入射光的频率低于当入射光的频率低于截止频率时不发生光电截止频率时不发生光电效应。效应。实验表明,不同的金属实验表明,不同的金属的截止频率不同。的截止频率不同。4、光电效应的瞬时性、光电效应的瞬时性 当入射光的频率超过截止频率时,无论当入射光的频率超过截止频率时,无论入入射射光光怎样怎样微弱,几乎在微弱,几乎在照到金属时立即产生照到金属时立即产生光电流。光电
8、流。精确测量表明产生电流的时间精确测量表明产生电流的时间不超不超过过10-9s,即光电效应几乎是瞬时发生的。,即光电效应几乎是瞬时发生的。光电效应中各相关物理量间的关系光电效应中各相关物理量间的关系四四、光电效应的解释中的疑难光电效应的解释中的疑难 按照光的电磁理论,应得出以下结论:按照光的电磁理论,应得出以下结论:光越强,光电子的初动能应该越大,所以遏止电压光越强,光电子的初动能应该越大,所以遏止电压UC应与光的强弱有关应与光的强弱有关;逸出功逸出功逸出功逸出功WW0 0:使电子脱离某种金属所做功的最小值。使电子脱离某种金属所做功的最小值。使电子脱离某种金属所做功的最小值。使电子脱离某种金属
9、所做功的最小值。实验结果:遏止电压只与光的频率有关。对于一定实验结果:遏止电压只与光的频率有关。对于一定颜色(频率)的光颜色(频率)的光,无论光的强弱如何,遏止电压无论光的强弱如何,遏止电压是一样的。是一样的。不管光的频率如何,只要光足够强,电子都可获得不管光的频率如何,只要光足够强,电子都可获得足够能量从而逸出表面,不应存在截止频率足够能量从而逸出表面,不应存在截止频率;实验结果:对于不同的物体,都有相应的截止频率。实验结果:对于不同的物体,都有相应的截止频率。如果光很弱,按经典电磁理论估算,电子需几分如果光很弱,按经典电磁理论估算,电子需几分钟到十几分钟的时间才能获得逸出表面所需的能量,钟
10、到十几分钟的时间才能获得逸出表面所需的能量,这个时间远远大于这个时间远远大于10-9 S。以上三个结论都与实验结果相矛盾的,所以以上三个结论都与实验结果相矛盾的,所以 无法用经典的波动理论来解释光电效应。无法用经典的波动理论来解释光电效应。实验结果:时间小于实验结果:时间小于10-9s五五、爱因斯坦的光电效应方程、爱因斯坦的光电效应方程1、光子:光本身就是由一个个不可分割的能量子组、光子:光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的,频率为成的,频率为的光的能量子为的光的能量子为h。这些能量子后。这些能量子后来被称为光子。来被称为光子。2、电子从金属中逃逸,需要克服阻力做功。使电子、电子从金属中逃
11、逸,需要克服阻力做功。使电子脱离金属所要做的脱离金属所要做的最小最小的功,叫做金属的的功,叫做金属的逸出功逸出功。不同金属的逸出功是不同的。不同金属的逸出功是不同的。3、一个一个电子电子一瞬间一瞬间吸收吸收一个一个光子的能量,一部分能光子的能量,一部分能量用来克服金属的逸出功量用来克服金属的逸出功W0,剩下的表现为逸出后,剩下的表现为逸出后电子的最大初动能电子的最大初动能Ek,即:,即:上式即为爱因斯坦的光电效应方程。上式即为爱因斯坦的光电效应方程。如果电子克服阻力做功大于逸出功,则逸出后如果电子克服阻力做功大于逸出功,则逸出后电子的初动能小于最大初动能。电子的初动能小于最大初动能。光子说对光
12、电效应的解释光子说对光电效应的解释(1)饱和光电流与光强关系光越强,包含的光子数越多,照射金属时产生的光电子越多,因而饱和光电流越大,所以,入射光频率一定时,饱和光电流与光强成正比(2)存在截止频率和遏止电压爱因斯坦的光电效应方程表明光电子的初动能与入射光频率呈线性关系,与光强无关,所以遏止电压由入射光频率决定,与光强无关光电效应方程同时表明,只有 hW0时,才有光(3)效应具有瞬时性电子一次性吸收光子的全部能量,不需要积累能量的时间,所以光电效应几乎是瞬时发生的思考思考1:同种频率的光射到同种金属上,增强:同种频率的光射到同种金属上,增强入射光时,饱和电流、遏止电压分别如何变入射光时,饱和电
13、流、遏止电压分别如何变化?化?答案:饱和电流增大,遏止电压不变。答案:饱和电流增大,遏止电压不变。思考思考2:相同强度(单位时间内的能量)的单:相同强度(单位时间内的能量)的单色光射到同种金属上,增加入射光的频率时,色光射到同种金属上,增加入射光的频率时,饱和电流、遏止电压分别如何变化?饱和电流、遏止电压分别如何变化?答案:饱和电流减小,遏止电压增大。答案:饱和电流减小,遏止电压增大。六六、光电效应方程的图像:、光电效应方程的图像:1、外加电压和光电流的关系(同种金属)、外加电压和光电流的关系(同种金属)光的强弱影响光的强弱影响饱和饱和电流电流 光的频率影响遏制电压光的频率影响遏制电压IUc2
14、OU黄光(强)黄光(强)黄光(弱)黄光(弱)蓝光蓝光Uc12、遏止电压、遏止电压-入射光频率:入射光频率:Uc-图像图像思考思考1:截距和斜率的物理意义分别是什么?:截距和斜率的物理意义分别是什么?思考思考2:如果将两种不同金属的:如果将两种不同金属的Uc-曲线画在曲线画在同一张图像中,会是怎样的?同一张图像中,会是怎样的?Uc-W0/ec【典例【典例1 1】(2010(2010上海高考上海高考)根据爱因斯坦光子说,光子能量等根据爱因斯坦光子说,光子能量等于于(h(h为普朗克常量,为普朗克常量,c c、为真空中的光速和波长为真空中的光速和波长)()()A A【典例典例2 2】(2010(201
15、0四川高考四川高考)用波长为用波长为2.0102.010-7-7 m m的紫外线照射钨的表面,释放出来的光电子中的紫外线照射钨的表面,释放出来的光电子中最大的动能是最大的动能是4.7104.710-19-19 J J,由此可知,钨的极,由此可知,钨的极限频率是限频率是(普朗克常量普朗克常量h=6.63 10h=6.63 10-34-34 Js Js,光,光速速c=3.010c=3.0108 8 m/s m/s,结果取两位有效数字,结果取两位有效数字)_._.A.5.510A.5.5101414 Hz B.7.910 Hz B.7.9101414 Hz Hz C.9.810C.9.8101414
16、 Hz D.1.210 Hz D.1.2101515 Hz HzB B一、正确理解光电效应中的五组概念一、正确理解光电效应中的五组概念1.1.光子与光电子:光子指光在空间传播时的每一份能量光子与光电子:光子指光在空间传播时的每一份能量,光子光子不带电不带电,光电子是金属表面受到光照射时发射出来的电子,其光电子是金属表面受到光照射时发射出来的电子,其本质是电子,光子是光电效应的因,光电子是果本质是电子,光子是光电效应的因,光电子是果.2.2.光电子的动能与光电子的最大初动能:光照射到金属表面光电子的动能与光电子的最大初动能:光照射到金属表面时时,光子的能量全部被电子吸收,电子吸收了光子的能量光子
17、的能量全部被电子吸收,电子吸收了光子的能量,可可能向各个方向运动能向各个方向运动,需克服原子核和其他原子的阻碍而损失一需克服原子核和其他原子的阻碍而损失一部分能量部分能量,剩余部分为光电子的初动能剩余部分为光电子的初动能;只有金属表面的电子只有金属表面的电子直接向外飞出时直接向外飞出时,只需克服原子核的引力做功只需克服原子核的引力做功,才具有最大初才具有最大初动能动能.光电子的初动能小于或等于光电子的最大初动能光电子的初动能小于或等于光电子的最大初动能.3.3.光子的能量与入射光的强度:光子的能量即每个光子的能量,光子的能量与入射光的强度:光子的能量即每个光子的能量,其值为其值为E=h(E=h
18、(为光子的频率为光子的频率),其大小由光的频率决定,其大小由光的频率决定.入射光入射光的强度指单位时间内照射到金属表面单位面积上的总能量,入射的强度指单位时间内照射到金属表面单位面积上的总能量,入射光的强度等于单位时间内光子能量与入射光子数的乘积光的强度等于单位时间内光子能量与入射光子数的乘积.4.4.光电流和饱和光电流:金属板飞出的光电子到达阳极,回路中光电流和饱和光电流:金属板飞出的光电子到达阳极,回路中便产生光电流,随着所加正向电压的增大,光电流趋于一个饱和便产生光电流,随着所加正向电压的增大,光电流趋于一个饱和值,这个饱和值是饱和光电流,在一定的光照条件下,饱和光电值,这个饱和值是饱和
19、光电流,在一定的光照条件下,饱和光电流与所加电压大小无关流与所加电压大小无关.5.5.光的强度与饱和光电流:饱和光电流与入射光强度成正比的规光的强度与饱和光电流:饱和光电流与入射光强度成正比的规律是对频率相同的光照射金属产生光电效应而言的,对于不同频律是对频率相同的光照射金属产生光电效应而言的,对于不同频率的光,由于每个光子的能量不同,饱和光电流与入射光强度之率的光,由于每个光子的能量不同,饱和光电流与入射光强度之间没有简单的正比关系间没有简单的正比关系.(1)(1)光电效应的实质是光现象转化为电现象光电效应的实质是光现象转化为电现象.(2)(2)发生光电效应时,饱和光电流与入射光的强度有关,
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